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      Fast 900 Tage Lasermessungen in der Erdumlaufbahn

      Der erfolgreiche Betrieb des Laser-Interferometers an Bord von GRACE Follow-On begann vor drei Jahren

      Mitte Juni 2018 hie? es ?First Light!“ für ein neuartiges Laserinstrument in der Erdumlaufbahn. Das Laser Ranging Interferometer auf beiden Satelliten der deutsch-amerikanischen Geod?sie-Mission GRACE Follow-On wurde erstmals eingeschaltet. Gleich auf Anhieb konnten sich die 200?Kilometer entfernten Instrumente 490?Kilometer über dem Erdboden finden. Seitdem l?uft das System zuverl?ssig und liefert hochpr?zise Abstandsdaten im regul?ren Messbetrieb. Nun ziehen Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und an der Leibniz Universit?t Hannover eine positive Bilanz der ersten drei Jahre und werfen einen Blick in die Zukunft.

      GRACE Follow-On ist ein Tandem aus zwei Satelliten, welche die Erde in einem gegenseitigen Abstand von 220 Kilometern auf der gleichen Bahn in 490 Kilometer H?he über dem Erdboden umrunden. Die Mission vermisst den Abstand zwischen den Satelliten mit Mikrowellen (blau) und einem neuen Laserinterferometer (rot).

      Mit gro?er Spannung erwarteten die Forschenden vor drei Jahren, am 14. Juni 2018, das Einschalten ihres Instruments auf den GRACE-Follow-On-Satelliten, die nach einem Bilderbuchstart seit Mitte Mai 2018 die Erde hintereinander auf einer Bahn über die Pole umrunden. An den beiden Satelliten befinden sich münzgro?e L?cher, eines zum Senden und eines zum Empfangen eines Laserstrahls. Eine Herausforderung lag darin den Laserstrahl durch diese L?cher über eine Distanz von etwa 200 Kilometern hin- und herzuschicken w?hrend die Satelliten mit rund 27.000 Kilometer pro Stunde um die Erde rasen. Das Kunststück gelang: Das Laser-Interferometer konnte praktisch unmittelbar nach dem Einschalten die wissenschaftliche Datenaufnahme beginnen. Seitdem wurden an etwa 870 Tagen Messdaten aufgezeichnet, wann immer die Satelliten und die anderen Instrumente dies erlaubten.

      Mit dem Laserlicht werden ?nderungen des 200 Kilometer Abstands zwischen den Satelliten auf rund einen Atomdurchmesser genau vermessen. Das ist rund 5000-mal pr?ziser als die parallel eingesetzte etablierte Mikrowellen-Technik und auch 400-mal pr?ziser als in der Missionsanforderung des Laserinterferometers spezifiziert. Aus den Messungen der Abstands?nderung l?sst sich das Erdschwerefeld und dessen zeitliche Ver?nderungen ableiten. So lassen sich Indikatoren des Klimawandels wie abschmelzende Eismassen, sinkende Grundwasserspiegel und der steigende Meeresspiegel aus der Erdumlaufbahn überwachen.

      Eine typische monatlich ver?ffentlichte Schwerefeldkarte aus den GRACE-Follow-On-Daten. In Falschfarben ist die Ver?nderung der Erdanziehungskraft relativ zum Januar 2009 als Ver?nderung einer fiktiven Wasserh?he dargestellt. Negative Werte entsprechen einer Abnahme, beispielsweise beim Eismassenverlust in Gr?nland und der Antarktis.

      Obwohl das Laser Ranging Interferometer nur als Technologiedemonstration mit einer minimal erforderlichen Laufzeit von drei Monaten angelegt war, sind auch nach drei Jahren keine Verringerung der Messgenauigkeit und Zuverl?ssigkeit des Instruments und seiner Komponenten festzustellen. Das Interferometer sollte daher auch weitere Jahre wertvolle Messdaten liefern.

      ?Wir wissen nun, dass Laserinterferometer im All zwischen Satelliten über Jahre hinweg hochpr?zise und sehr zuverl?ssig betrieben werden k?nnen“, sagt Gerhard Heinzel, Leiter der Arbeitsgruppe ?Weltrauminterferometrie“ am AEI und Manager der deutschen Beitr?ge zum Laser Ranging Interferometer. ?Besonders beeindruckend ist, dass wir mehr als 100 Tage dauernde Mess-Segmente von über 1500 Erduml?ufen haben, in denen die Satelliten 60 Millionen Kilometer zurückgelegt haben, w?hrend denen die Laserverbindung nicht einmal unterbrochen wurde. Auch für LISA, das geplante Gravitationswellen-Observatorium im All ist dies ein wichtiges Ergebnis, denn wir haben für GRACE Follow-On LISA-Technologie eingesetzt. Sie funktioniert einwandfrei und dauerhaft.“

      LISA ist eine geplante Satellitenmission unter Führung der ESA mit NASA-Beitr?gen, die ab 2032 ins All starten k?nnte und dort vom Erdboden aus nicht nachweisbare niederfrequente Gravitationswellen messen würde. LISA wird dafür wie GRACE Follow-On laserbasierte Abstandmessungen zwischen Satelliten – allerdings über deutlich gr??ere Entfernungen von 2,5 Millionen Kilometer – verwenden.

      Aufgrund der enormen Empfindlichkeitssteigerung bei den Messungen der Abstands?nderungen durch das Laserinterferometer ergeben sich zudem ganz neue M?glichkeiten, das Verhalten des Satellitentandems besser zu verstehen. Bestimmte bisher r?tselhafte kurze Ereignisse, die die Beschleunigungssensoren der Satelliten registrieren, lassen sich mit Hilfe der Daten des Laserinstruments durch Treffer von Mikrometeoriten von der Gr??e eines Staubkorns erkl?ren. Auch k?nnen die Effekte von Schubdüsen zur Lageregelung der Satelliten aus den Abstandsdaten extrahiert werden.

      Das Laserinstrument (LRI) an Bord von GRACE Follow-On bildet kurzfristige ?nderungen des Erdschwerefelds ab (rechts), die in den bisher monatlich ver?ffentlichten Schwerefeldkarten des Mikrowelleninstruments (links) im Hintergrundrauschen verborgen waren. Die Karten zeigen auf einer Farbskala kurzfristige ?rtliche Abweichungen der Erdbeschleunigung im Januar 2019, beispielsweise durch den Monsun. Die laserbasierte Karte (rechts) ist deutlich weniger verrauscht.

      Welches Potenzial in den Messungen des Laserinstruments steckt, wird bei gleichzeitiger Anpassung der Analyse-Methoden mit zunehmender Messdauer sichtbar. Die h?here Aufl?sung der laserbasierten Abstandsmessungen sorgt für genauere Karten des statischen Schwerefelds der Erde. Sie bildet aber auch kurzfristige zeitliche ?nderungen ab, die in den bisher monatlich ver?ffentlichten Schwerefeldkarten fehlten. Forschende vom AEI Hannover, der Leibniz Universit?t Hannover und vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam werden in den n?chsten Jahren gemeinsam die optimale Auswertungsstrategie der Messdaten des Laserinstruments untersuchen.

      ?Wir haben nach drei Jahren Messbetrieb konkrete Ideen dafür, wie wir die n?chsten Geod?sie-Mission in der Erdumlaufbahn noch einmal verbessern k?nnen“, sagt Vitali Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe ?Weltrauminterferometrie“ am AEI. ?Zukünftige Erderkundungsmissionen k?nnten dann nur noch ein Laserinstrument wie das Laser Ranging Interferometer zur Abstandsmessung verwenden.“

      ?Nach dem gro?en Erfolg von LISA Pathfinder zeigt uns GRACE-Follow-On nun, dass ein weiterer Baustein – die Laserverbindung zwischen weit voneinander entfernten Satelliten – bereit für die LISA-Mission ist“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik an der Leibniz Universit?t Hannover. ?Wir freuen uns, dass die Europ?ische Weltraumorganisation ESA die Entwicklung von bis zu zwei ?hnlichen Missionen zur Messung des Erdschwerefelds und die dazugeh?rige Laser-Interferometrie vorantreibt. Mehrere gleichzeitig betriebene Satellitenpaare würden die Qualit?t der Erdschwerefeld-Karten erheblich verbessern.“

      Hintergrundinformationen nach dem Seitenumbruch

      Wie beobachtet GRACE Follow-On Eis und Wasser auf der Erde?

      Das GRACE-Follow-On-Satellitenpaar umrundet die Erde rund 490 Kilometer über ihrer Oberfl?che. Die Satelliten folgen einander in einer Entfernung von 220 Kilometern in einer 90-Minuten-Bahn, die sie über die Pole der Erde führt. Der Abstand zwischen den Satelliten ver?ndert sich aufgrund der Erdabplattung um einige Hundert Meter w?hrend jeden Umlaufs. Darüber hinaus gibt es weitaus kleinere ?nderungen im Bereich von Mikrometern und Nanometern, verursacht durch die lokale Feinstruktur des irdischen Schwerefelds, die beispielsweise von Gebirgszügen, Eismassen und Grundwasserpegeln stammt.

      Indem sie diese winzigen Ver?nderungen über Monate verfolgen, k?nnen die Forschenden das Abschmelzen von Eismassen in Gr?nland und der Antarktis, steigende Meeresspiegel, ver?nderte Grundwasserspiegel, Dürren und ?berflutungen genau nachweisen und das Geoid zu definieren, das Grundlage globaler H?henmessungen ist. Die neuartige Laser-Ranging-Interferometer-Technologie an Bord von GRACE Follow-On wird die Genauigkeit zukünftiger ?hnlicher Missionen signifikant erh?hen und dadurch detailliertere Messungen des irdischen Schwerefelds und seiner Ver?nderungen mit der Zeit erm?glichen.

      Warum ist GRACE Follow-On ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu LISA?

      Das Laser Ranging Interferometer von GRACE Follow-On ist das zweite Laserinterferometer im All mit wichtigen Beitragen aus dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und der Leibniz Universit?t Hannover. Das erste derartige Instrument war das 40 Zentimeter messende Interferometer der LISA-Pathfinder-Mission, das Schlüsseltechnologien für LISA, testete.

      Nach dem geplanten Start wird die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) ganz ?hnliche Technologie wie GRACE Follow-On verwenden, um winzige L?ngen?nderungen, diesmal aber über eine Entfernung von 2,5 Millionen Kilometer zu messen. Auf diese Weise wird LISA niederfrequente Gravitationswellen von Millionen Doppelsternsystemen in unserer Milchstra?e, verschmelzenden extrem massereichen schwarzen L?chern im gesamten Universum und anderen exotischen Objekten nachweisen.

      Wer ist an GRACE Follow-On beteiligt?

      GRACE Follow-On ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und deutscher Partner unter Federführung des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ. Es ist der verbesserte Nachfolger der erfolgreichen GRACE-Mission, die von 2002 bis 2017 im Betrieb war. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Kennzeichen 03F0654B gef?rdert.

      Wer ist am Laser Ranging Interferometer beteiligt?

      Das LRI ist eine Kooperation zwischen NASA und deutschen Partnern, unter Federführung des AEI in Hannover auf deutscher Seite. Das LRI-Konzept, seine Prototypen und die technischen Spezifikationen kommen vom AEI, dessen Forscher*innen intensiv an der Entwicklung und den Tests der Flughardware beteiligt waren. Die Entwicklung des LRI beruht auf der langj?hrigen Partnerschaft des AEI mit dem Jet Propulsion Laboratory der NASA. Da sich das Lasersystem bew?hrt hat, k?nnen zukünftige ?hnliche Missionen routinem??ig Laser- anstelle der Mikrowelleninterferometer verwenden.

      Die deutschen Beitr?ge zum LRI umfassen das gesamte optische System, bestehend aus einem Umlenkspiegel, gefertigt von Hensoldt (ehemals Zeiss) in Oberkochen, der optischen Bank von SpaceTech GmbH in Immenstaad, welche auf Industrieseite den gesamten deutschen LRI-Beitrag verantwortet, Optoelektronik vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Berlin-Adlershof sowie elektronischen Baugruppen von Apcon AeroSpace & Defence in Neubiberg bei München. Das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen hat Instrumente zur Kalibrierung und für Tests entwickelt und geliefert. Gebaut wurden die beiden Satelliten im Auftrag der NASA bei Airbus Defence & Space in Immenstaad. Die Satelliten werden vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) in Oberpfaffenhofen bei München unter Auftrag des GFZ gesteuert.

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